AT510421B1 - Diamantbeschichteter hartmetallkörper und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hartmetallkörper (1), aufweisend einen Grundkörper (2) mit Hartstoffen wie Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden eines oder mehrerer Metalle und zumindest ein Bindemetall sowie mit einer Beschichtungslage (6), die zumindest überwiegend aus Diamant besteht. Erfindungsgemäß ist eine erste Beschichtungslage (4) aus einem Titancarbonitrid vorgesehen, auf welcher eine zweite Beschichtungslage (5) aus Titancarbid oder Titancarbonitrid mit einem geringeren Stickstoffgehalt als in der ersten Beschichtungslage (4) abgeschieden ist, auf welcher die zumindest überwiegend aus Diamant bestehende Beschichtungslage (6) abgeschieden ist. Der erfindungsgemäße Hartmetallkörper (1) zeichnet sich unter anderem durch eine hohe Haftfestigkeit der zumindest überwiegend aus Diamant bestehenden Beschichtungslage (6) aus. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hartmetallkörpers (1).

Description

österreichisches Patentamt AT 510 421 B1 2012-04-15

Beschreibung

DIAMANTBESCHICHTETER HARTMETALLKÖRPER UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG

[0001] Die Erfindung betrifft einen Hartmetallkörper, aufweisend einen Grundkörper mit Hartstoffen wie Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden eines oder mehrerer Metalle und zumindest ein Bindemetall sowie mit einer Beschichtungslage, die zumindest überwiegend aus Diamant besteht.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Hartmetallkörpers, aufweisend einen Grundkörper mit Hartstoffen wie Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden eines oder mehrerer Metalle und zumindest ein Bindemetall sowie mit einer Beschichtungslage, die zumindest überwiegend aus Diamant besteht.

[0003] Werkzeuge, die im Einsatz hohen Belastungen ausgesetzt sind, beispielsweise hohen Temperaturen und/oder großen mechanischen Belastungen, werden häufig aus einem Hartmetall hergestellt. Typische Beispiele sind Schneidplatten, die zur spanenden Bearbeitung wie Drehen oder Fräsen metallischer Werkstücke eingesetzt werden und dabei neben gegebenen mechanischen Belastungen auch Temperaturen von beispielsweise bis zu 1000°C standhalten sollen.

[0004] Hartmetalle können als Verbundwerkstoffe definiert werden, die aus metallischen Hartstoffen und einem oder mehreren Bindemetallen bestehen (M. Merkel, K.-H. Thomas, Taschenbuch der Werkstoffe, 5. Auflage, 2000, Carl Hanser Verlag). Als metallische Hartstoffe kommen dabei intermetallische (intermediäre) Phasen zum Einsatz, beispielsweise Carbide wie Wolf-ramcarbid (WC), Titancarbid (TiC), Tantalcarbid (TaC) und/oder Vanadiumcarbid (VC) und/oder Nitride wie Titannitrid (TiN). Als häufigster Hartstoff wird WC eingesetzt, gegebenenfalls in Kombination mit geringeren Anteilen anderer Hartstoffe.

[0005] Hartmetalle werden bei der Herstellung gesintert, wobei zur Bindung der Hartstoffe ein Bindemetall zugesetzt wird. Als Bindemetall wird vorwiegend Cobalt eingesetzt, aber auch Nickel und/oder Eisen finden Anwendung, wobei gegebenenfalls Mischungen aus diesen drei Bindemetallen vorliegen können. Je nach geplantem Einsatz des Hartmetalls bzw. beabsichtigter Anwendung kann ein Bindemetallanteil im Hartmetall variieren und gegebenenfalls bis zu 30 Gewichtsprozent (Gew.-%) betragen.

[0006] Um eine Verschleißfestigkeit von Körpern aus Hartmetall zu erhöhen, werden diese insbesondere bei der Herstellung von Span- oder Umformwerkzeugen mit einer möglichst verschleißfesten Beschichtung versehen, die üblicherweise mehrere Beschichtungslagen aufweist, wobei eine äußerste Beschichtungslage in der Regel die höchste Verschleißfestigkeit aufweist und die darunterliegenden Beschichtungslagen für einen optimalen Übergang vom Grundkörper bzw. Hartmetall zur äußersten Beschichtungslage sorgen sollen, beispielsweise in Bezug auf eine Minimierung von Zug- und/oder Druckspannungen.

[0007] Als besonders verschleißfeste äußerste Beschichtungslage kommt insbesondere eine Beschichtungslage aus Diamant infrage. Eine Abscheidung von Beschichtungslagen aus Diamant auf Grundkörpern aus einem Hartmetall ist allerdings mit erheblichen Problemen verbunden, da Cobalt, aber auch andere Bindemetalie wie Nickel und/oder Eisen bei den praktisch relevanten Prozessbedingungen eine Bildung von Grafit katalysieren bzw. eine Bildung von Diamant ver- oder zumindest behindern. Sobald allerdings erhebliche Mengen an Grafit gebildet werden, weist die Beschichtungslage, die an sich aus Diamant bestehen sollte, nicht mehr die erforderliche Verschleißfestigkeit auf. Um dieses Problem zu lösen, werden gemäß dem Stand der Technik mehrere Ansätze verfolgt.

[0008] Gemäß dem Stand der Technik besteht ein erster Ansatz darin, vor Aufbringen einer Beschichtungslage aus Diamant einen zu beschichtenden Grundkörper bzw. ein Hartmetall einem Ätzprozess zu unterwerfen, der gegebenenfalls mehrmals wiederholt wird. Bei diesem 1/10 österreichisches Patentamt AT 510 421 B1 2012-04-15

Atzprozess wird die Oberfläche des Grundkörpers chemisch behandelt, um beispielsweise Cobalt in oberflächennahen Zonen aus dem Hartmetall zu lösen. Zurück bleibt ein Grundkörper mit einer oberflächennahen Zone, in welcher ein Bindemetallanteil gering ist (siehe z.B. V. Buck et al., 15th International Plansee Seminar, Eds. G. Kneringer, P. Rödhammer und H. Wildner, 2001, Vol. 2, 517). Diese Methode bzw. dieser Ansatz bringt allerdings weitere Probleme mit sich. Insbesondere führt ein Ätzprozess zu einer inhomogenen Oberfläche, die nicht mehr für höchste Belastungen geeignet ist. Des Weiteren ist der Prozess nicht für Feinstkorn, also Korn mit einer durchschnittlichen Korngröße von z. B. WC kleiner als 1 pm, geeignet. Schließlich kann der Ätzprozess auch nur bei Hartmetallen praktikabel angewendet werden, die maximal 10 bis 12 Gew.-% Cobalt bzw. allgemein Bindemetall aufweisen. Bei höheren Cobaltgehalten kann der Ätzprozess z. B. bei Schneidplatten so viel Bindemetall lösen, dass eine Schneidkante rasch ausbricht.

[0009] Ein anderer Ansatz besteht darin, während der Herstellung eines Hartmetalls bzw. eines Sinterprozesses durch Steuerung der Prozessbedingungen eine Gradientenschicht zur Außenseite des Hartmetalls bzw. des Grundkörpers hin einzustellen, sodass der Bindemetallanteil in oberflächennahen Zonen möglichst klein ist. Abgesehen davon, dass eine Reduzierung des Bindemetallanteils in oberflächennahen Zonen auf null nahezu nicht möglich ist, geht damit eine unerwünschte Sprödigkeit im Bereich der oberflächennahen Zonen einher, was äußerst nachteilig ist.

[0010] Um das Hartmetall nicht zu beeinträchtigen, wurden bzw. werden alternativ auch sogenannte Sperrschichten vorgeschlagen, welche, am Grundkörper aufgebracht, eine Diffusion von Cobalt unterbinden sollen. Dieser Ansatz ist grundsätzlich in Bezug auf eine möglichst hohe Verschleißfestigkeit bevorzugt, da das Hartmetall nicht behandelt werden muss bzw. mit allen Vorzügen erstellt werden kann. Allerdings verschiebt sich das Anforderungsprofil zur Sperrschicht, die zum einen die Cobaltdiffusion unterbinden sollte, zum anderen gleichzeitig aber auch für eine gute Anbindung einer Diamantschicht sorgen sollte. Im Übrigen soll die Sperrschicht unter Beibehaltung dieser Funktionen aus wirtschaftlichen Gründen möglichst dünn ausgebildet sein. Die bisher entwickelten Sperrschichten bzw. Kombinationen von Beschichtungslagen konnten dieses vielfältige Anforderungsprofil nicht oder zumindest nicht gänzlich befriedigend erfüllen.

[0011] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hartmetallkörper der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem während einer Herstellung eine Bildung von Grafit hintangehalten ist, eine erstellte Diamantschicht möglichst fest haftet und ein Schichtunterbau für die Beschichtungslage aus Diamant relativ dünn bzw. mit geringer Dicke einsetzbar ist.

[0012] Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem ein entsprechender Hartmetallkörper herstellbar ist.

[0013] Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, wenn bei einem Hartmetallkörper der eingangs genannten Art eine erste Beschichtungslage aus einem Titancarbonitrid vorgesehen ist, auf welcher eine zweite Beschichtungslage aus Titancarbid oder Titancarbonitrid mit einem geringeren Stickstoffgehalt als in der ersten Beschichtungslage abgeschieden ist, auf welcher die zumindest überwiegend aus Diamant bestehende Beschichtungslage abgeschieden ist.

[0014] Ein mit einem erfindungsgemäßen Hartmetallkörper erzielter Vorteil ist darin zu sehen, dass ein Zusammenspiel der ersten Beschichtungslage aus einem Titancarbonitrid mit der zweiten Beschichtungslage aus Titancarbid bzw. gegebenenfalls Titancarbonitrid, das an Stickstoff abgereichert ist, ein dünner Schichtaufbau für eine nachfolgende Abscheidung einer Beschichtungslage aus Diamant gegeben ist, wobei eine Diffusion von Cobalt durch das Titancarbonitrid wirksam hintangehalten ist. Dadurch wird eine Bildung von Grafit zumindest weitgehend verhindert, sodass die danach abgeschiedene Beschichtungslage zumindest überwiegend, in der Regel jedoch zu mehr als 90 % Diamant besteht. Dabei ist auch insbesondere von Vorteil, dass die zweite Beschichtungslage im Wesentlichen aus Titancarbid besteht, da das Titancarbid ein kubisches Kristallgitter aufweist, auf welchem anschließend eine Beschichtungslage aus Diamant, der ebenfalls kubische Kristallstruktur aufweist, aufgebracht werden kann. 2/10 österreichisches Patentamt AT 510 421 B1 2012-04-15 [0015] Darüber hinaus kann auch von Vorteil sein, dass die Abfolge von erster Beschichtungslage aus einem Titancarbonitrid und der zweiten Beschichtungslage aus Titancarbid oder gegebenenfalls Titancarbonitrid so herstellbar ist, dass die erste Beschichtungslage im Querschnitt an einer zur zweiten Beschichtungslage angrenzenden Oberfläche mit Fingern bzw. Nadeln ausgebildet ist, welche in die zweite Beschichtungslage reichen. Dies führt dazu, dass eine anschließend aufgebrachte Beschichtungslage aus Diamant oder zumindest überwiegend Diamant mit außerordentlich hoher Haftfestigkeit abscheidbar ist. Vermutet wird, dass die nadelige Oberfläche der ersten Beschichtungslage auf die zweite Beschichtungslage übertragen wird, was aufgrund von Verankerungsspießchen zu einer hohen Haftung zwischen allen Beschichtungslagen führt. Dabei kann vorgesehen sein, um die nadelige Struktur bei minimierter Schichtdicke zu erhalten, dass die zweite Beschichtungslage maximal gleich dick wie die erste Beschichtungslage, vorzugsweise dünner als diese, ausgebildet ist.

[0016] Das erfindungsgemäße Konzept lässt sich insbesondere dann erfolgreich anwenden, wenn das Bindemetall Cobalt und/oder Nickel und/oder Eisen umfasst. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass das Bindemetall überwiegend oder ausschließlich aus Cobalt besteht.

[0017] Im Allgemeinen beträgt ein Anteil des oder der Bindemetalle eines erfindungsgemäßen Hartmetallkörpers zumindest 2 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, wenngleich das erfindungsgemäße Konzept auch bei geringeren Bindemetallanteilen mit Vorteil Anwendung findet.

[0018] Bei einem erfindungsgemäßen Hartmetallkörper kann zwischen dem Grundkörper und der ersten Beschichtungslage eine Anbindungsschicht aus Titannitrid vorliegen, die bevorzugt eine Dicke von weniger als 1,0 pm aufweist. Eine derartige Anbindungsschicht hat den Vorteil, dass im Anschluss ein zug- und druckentlasteter Schichtaufbau mit nachfolgenden Beschichtungslagen erfolgen kann. Die Titannitridschicht, die in der Regel eine Dicke von weniger als 1,0 pm aufweist, verbindet sich besonders innig mit dem Hartmetall des Grundkörpers, wobei auch z.B. Cobalt als Bindemetall in die Titannitridschicht diffundiert. Dies ist zwecks Anbindung der Titannitridschicht gewünscht und stört in der Folge auch nicht, da die nachfolgende Titancarbonitridschicht eine exzellente Sperrschicht für das Cobalt darstellt.

[0019] Die erste Beschichtungslage weist mit Vorteil eine Dicke von 0,5 bis 5,0 pm, vorzugsweise 1,0 bis 2,5 pm, auf. Die erste Beschichtungslage dient vornehmlich zur Unterbindung einer Cobaltdiffusion und soll daher eine Mindestdicke von 0,5 pm aufweisen. Um einen Schichtaufbau unterhalb einer Beschichtungslage aus Diamant möglichst dünn zu halten, ist die Dicke der ersten Beschichtungslage nach oben hin mit 5,0 pm, vorzugsweise 2,5 pm, begrenzt.

[0020] Die erste Beschichtungslage weist zweckmäßigerweise eine Zusammensetzung von TiCi.xNx mit x im Bereich von 0,45 bis 0,90, vorzugsweise 0,55 bis 0,85, insbesondere 0,60 bis 0,80, auf. Grundsätzlich ist es möglich, dass die erste Beschichtungslage bei relativ geringen Temperaturen von unter 800°C abgeschieden wird. Bevorzugt ist es jedoch, dass die erste Beschichtungslage wie in der WO 2007/056785 A1 beschrieben hergestellt wird. Es bildet sich dann eine erste Beschichtungslage mit Kristalliten mit einer Kern-Mantel-Struktur, wobei ein Kohlenstoffgehalt an einer Außenseite der Kristallite höher ist als im Inneren der Kristallite. Darüber hinaus weist die erste Beschichtungslage insbesondere in diesem Fall neben einer zusätzlichen Morphologie partiell Kristallite mit einer sternförmigen Morphologie auf. Eine derartige erste Beschichtungslage dient nicht nur als Funktionsschicht in Bezug auf ein Sperren einer Diffusion von Cobalt, sondern führt dazu, dass bei nachfolgender Abscheidung der zweiten Beschichtungslage aus Titancarbid eine Kombination von zwei Beschichtungslagen mit einer äußerst unregelmäßigen Oberfläche mit einer Vielzahl von Fingern bzw. Verankerungsnadeln erhalten wird, was besonders günstig für eine Anbindung einer Diamantschicht mit hoher Haftfestigkeit ist. Die genauen Mechanismen sind noch nicht bekannt. Denkbar ist, dass an einzelnen Nadeln der sternförmigen Kristallite der ersten Beschichtungslage, die außenseitig reich an Kohlenstoff sind, ein Wachstum von Titancarbid in Längs-, aber auch Querrichtung beginnt, wobei insbesondere bei geringen Schichtdicken der zweiten Beschichtungslage aus Titancarbid die Fingerstruktur außenseitig beibehalten bzw. nachgebildet wird, was für die nachfolgende Abscheidung von Diamant günstig ist. 3/10 österreichisches Patentamt AT 510 421 B1 2012-04-15 [0021] Bevorzugt ist es hinsichtlich der Abscheidung der ersten Beschichtungslage, dass diese aus einem nur Methan und Stickstoff als Kohlenstoff- und Stickstoffquellen enthaltenden Gas bei einer Temperatur von mehr als 800°C abgeschieden ist.

[0022] Die zweite Beschichtungslage weist eine Zusammensetzung von TiCi.xNx mit x < 0,10, vorzugsweise < 0,05, insbesondere < 0,03, auf. Grundsätzlich sollte die zweite Beschichtungslage möglichst frei von Stickstoff sein, allerdings lässt sich bei bestimmten Prozessbedingungen nicht vollständig ausschließen, dass geringe Anteile von Stickstoff vorhanden sind, die sich dann auf eine Zusammensetzung der zweiten Beschichtungslage auswirken. Angestrebt ist jedoch, dass ein Stickstoffgehalt in der zweiten Beschichtungslage möglichst gering ist.

[0023] Die zweite Beschichtungslage weist mit Vorteil eine Dicke von weniger als 2,5 pm, vorzugsweise weniger als 2,0 pm, insbesondere weniger als 1,5 pm, auf. Die zweite Beschichtungslage dient vornehmlich der Anbindung der Diamantschicht und kann daher relativ dünn ausgeführt sein.

[0024] Die zumindest überwiegend aus Diamant bestehende Beschichtungslage weist hingegen mit Vorteil eine Dicke von mehr als 3,0 pm, vorzugsweise mehr als 5,0 pm, auf, da diese Beschichtungslage für die Verschleißfestigkeit sorgt und daher als entsprechende Funktionslage möglichst dick ausgebildet sein soll. Auch größere Dicken von 10 pm oder mehr sind möglich. Als Funktionslage ist die zumindest überwiegend aus Diamant bestehende Beschichtungslage zweckmäßigerweise eine äußerste Beschichtungslage. Grafitanteile in dieser Beschichtungslage sollten minimiert sein, sodass vorteilhafterweise eine Beschichtungslage vorliegt, die zu mehr als 90 %, vorzugsweise mehr als 95 %, insbesondere mehr als 98 %, aus Diamant besteht. Geringfügige Anteile an Grafit können je nach Reaktionsbedingungen eventuell anwesend sein, in sehr geringen Anteilen durchaus aber auch positive Effekte in Bezug auf eine Schmierwirkung der Beschichtungslage mit sich bringen.

[0025] Ein erfindungsgemäßer Hartmetallkörper ist bevorzugt als Werkzeug zum Spanen von Werkstoffen wie faserverstärkten Kunststoffen, Grafit und/oder Holz oder als Umformwerkzeug ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Hartmetallkörper ein Schneideinsatz wie eine Schneidplatte, insbesondere Wendeschneidplatte.

[0026] Die verfahrensmäßige Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art optional auf dem Grundkörper eine Anbindungsschicht aus Titannitrid abgeschieden wird, wonach eine erste Beschichtungslage aus Titancarbonitrid abgeschieden wird, auf welcher eine zweite Beschichtungslage aus Titancarbid oder Titancarbonitrid mit einem geringeren Stickstoffgehalt als in der ersten Beschichtungslage abgeschieden wird, wonach auf der zweiten Beschichtungslage die zumindest überwiegend aus Diamant bestehende Beschichtungslage abgeschieden wird.

[0027] Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere ein erfindungsgemäßer Hartmetallkörper mit den zuvor erläuterten Vorteilen desselben hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist hocheffektiv und erlaubt insbesondere eine Herstellung von Hartmetallkörpern mit einer äußeren Beschichtungslage aus Diamant oder zumindest überwiegend aus Diamant, die nicht nur exzellent haftet, sondern auch mit nur geringen Anteilen an Grafit oder gegebenenfalls grafitfrei ausgebildet ist.

[0028] Verfahrensmäßig ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Beschichtungslage aus einer im Wesentlichen aus Methan, Stickstoff und Titantetrachlorid und einem Trägergas wie Wasserstoff bestehenden Gasphase abgeschieden wird. Das Verfahren wird im Unterschied zu Verfahren, bei welchen sogenanntes Mitteltemperatur-Titancarbonitrid (MT-TiCN) hergestellt wird, völlig frei von Acetonitril geführt. Methan und Stickstoff sind die Quellen für Kohlenstoff bzw. Stickstoff in der ersten Beschichtungslage. Dabei wird bevorzugt so vorgegangen, dass mit einer Abscheidung der ersten Beschichtungslage bei einer Temperatur von zumindest 800°C, vorzugsweise 850°C, begonnen wird, wonach die Temperatur während des Abscheidens der ersten Beschichtungslage vorzugsweise kontinuierlich um bis zu 100°C, zumindest jedoch etwa 35°C erhöht wird und eine weitere Abscheidung der ersten Beschichtungslage bei 4/10 österreichisches Patentamt AT 510 421 B1 2012-04-15 der erhöhten Temperatur erfolgt. Dieses Verfahren ist analog zu dem in der WO 2007/056785 A1 beschriebenen Verfahren und die Zusammensetzung eines Reaktionsgases für eine Abscheidung der ersten Beschichtungslage mittels Chemical Vapor Deposition (CVD) kann ebenfalls analog jener in der WO 2007/056785 A1 gewählt werden, deren Inhalt hiermit im vollen Umfang eingeschlossen ist. Durch eine entsprechende Verfahrensführung kann die erste Beschichtungslage mit einer vorteilhaften Zusammensetzung bzw. Struktur ausgebildet werden, die außenseitig Finger bzw. Verankerungsnadeln aufweist und bei Abscheiden einer weiteren, zweiten Beschichtungslage aus Titancarbonitrid, ebenfalls mittels CVD-Verfahren, zu einer Oberfläche mit einer ähnlichen Struktur führt, die zumindest mit Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung der kombinierten Schichten bzw. Beschichtungslagen erweist sich als besonders günstig für eine nachfolgende Abscheidung einer Beschichtungslage aus Diamant, da diese besonders gut haften kann.

[0029] Das erfindungsgemäße Verfahren führt nicht nur zu exzellenten Hartmetallkörpern, sondern kann auch in besonders wirtschaftlicher Weise geführt werden, insbesondere wenn nach Abscheiden der ersten Beschichtungslage die zweite Beschichtungslage abgeschieden wird, indem bei ansonsten unveränderter Gaszusammensetzung ein Stickstoffzufluss reduziert oder unterbunden wird. Die verwendete Gasphase kann somit abgesehen von der Stickstoffquelle unverändert bleiben. Es ist somit lediglich erforderlich, zum Aufbau der zweiten Beschichtungslage aus vorzugsweise möglichst reinem Titancarbid einen Stickstoffzufluss zu unterbinden. Geringe Anteile von Stickstoff können aber insbesondere zu Beginn eines Aufbaus der zweiten Beschichtungslage noch in die zweite Beschichtungslage eingebaut werden, was allerdings nicht nachteilig ist, da die äußere Oberfläche, auf welcher Diamant anschließend anbindet bzw. abgeschieden wird, im Wesentlichen reines Titancarbid ist.

[0030] Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel. In den Zeichnungen, aufweiche dabei Bezug genommen wird, zeigen: [0031] Fig. 1 [0032] Fig. 2 [0033] Fig. 3 [0034] Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hartmetallkörpers; eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Schnittes durch einen erfindungsgemäßen Hartmetallkörper; eine Fotografie betreffend einen Strahltest an einer Beschichtungslage aus Diamant auf einem Hartmetallkörper gemäß dem Stand der Technik; eine Fotografie betreffend einen Strahltest an einem erfindungsgemäßen Hartmetallkörper mit einer äußeren Beschichtungslage aus Diamant.

[0035] In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Hartmetallkörper 1 näher dargestellt. Der Hartmetallkörper 1 weist einen Grundkörper 2 auf, der aus einem Hartstoff eines oder mehrerer Metalle und zumindest einem Bindemetall gebildet ist. Als Hartstoffe kommen insbesondere Carbide, Nitride und/oder Carbonitride von Metallen der 4., 5. und 6. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente infrage. Typischerweise weist der Grundkörper 2 einen Anteil von Hartstoffen wie WC von etwa 85 bis 95 Gew.-% auf. Im Übrigen besteht der Grundkörper 2 aus einem Bindemetall, in der Regel Cobalt, wenngleich alternativ oder in Kombination mit Cobalt auch Nickel und/oder Eisen vorgesehen sein können. Auf dem Grundkörper 2 ist mittels CVD eine Anbindungsschicht 3 aus TiN abgeschieden. Die Anbindungsschicht 3 dient der Anbindung weiterer Beschichtungslagen auf dem Grundkörper 2. In der Regel ist die Anbindungsschicht 3 aus TiN mit einer Dicke von weniger als 1,0 pm ausgebildet und wird mittels CVD aus Titantetrachlorid und Stickstoff bei 900°C abgeschieden. Auf der Anbindungsschicht 3 ist eine erste Beschichtungslage 4 angeordnet, bei welcher es sich um eine Lage aus Titancarbonitrid (TiCN) handelt. Diese erste Beschichtungslage 4 ist ebenfalls mittels CVD hergestellt, und zwar entsprechend dem in der WO 2007/056785 A1 erläuterten Verfahren. Die entsprechende Beschichtungslage ist mit Kristalliten mit einer Kern-Mantel-Struktur gebildet, die unter anderem stängelige Kristalli-te umfasst, die im Inneren stickstoffreich sind, außenseitig jedoch von einem kohlenstoffreichen Mantel umgeben sind. Auf dieser ersten Beschichtungslage 4 ist eine zweite Beschichtungslage 5/10

Claims (21)

1. österreichisches Patentamt AT 510 421 B1 2012-04-15 5 abgeschieden, die im Wesentlichen aus TiC besteht. Diese zweite Beschichtungslage 5 wird ebenfalls mittels CVD abgeschieden, wobei in dieser zweiten Beschichtungslage 5 noch geringe Stickstoffanteile vorhanden sein können, insbesondere wenn diese zweite Beschichtungslage 5 unmittelbar im Anschluss an die erste Beschichtungslage 4 abgeschieden wird, was für eine wirtschaftliche Verfahrensführung zweckmäßig ist. Dabei führt die nadelige Oberfläche der ersten Beschichtungslage 4 vermutlich dazu, dass die zweite Beschichtungslage 5 ebenfalls mit Nadeln zur Verankerung einer nachfolgend abzuscheidenden Beschichtungslage ausgebildet ist. Möglich ist es, dass die zweite Beschichtungslage 5 noch dotiert wird, beispielsweise mit geringen Gehalten an Zirconium oder Hafnium. Dotieren bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Anteile entsprechender Metalle relativ zum Gesamtgehalt von Metallen nicht mehr als 3 % betragen. [0036] Auf der zweiten Beschichtungslage 5 ist schließlich ebenfalls mittels CVD eine aus Diamant bestehende Beschichtungslage 6 abgeschieden, wofür die sogenannte Hot-filament-Methode zum Einsatz kommt und bei etwa 800°C Diamant aus einem Gas mit Methan und Wasserstoff als Trägergas bzw. Rest aufgebracht wird. [0037] In Fig. 2 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Schneidplatte dargestellt, welche eine Beschichtung mit einem Aufbau gemäß Fig. 1 aufweist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, bilden die erste Beschichtungslage 4 und die zweite Beschichtungslage 5 in Kombination eine Oberfläche, auf welcher die im Wesentlichen aus Diamant bestehende Beschichtungslage 6 aufgrund eines Verkrallungseffektes durchgehend ausgezeichnet anhaftet. Die Oberfläche der zweiten Beschichtungslage 5 aus Titancarbid sorgt für eine exzellente Anbindung der Beschichtungslage 6 aus Diamant. [0038] In Fig. 3 und 4 sind Ergebnisse von Strahlversuchen dargestellt, welche die exzellente Haftfestigkeit der Beschichtungslage 6 aus Diamant belegen. In Fig. 3 ist eine Fotografie betreffend eine Schneidplatte mit einer Diamantbeschichtung, hergestellt gemäß der WO 03/020997 A1, für einen Strahldruck von 3 bar mit Siliciumcarbid als Strahlmedium, einen Abstand einer Strahldüse von einer Beschichtungsoberfläche von konstant 1 cm und einem Strahlwinkel von 90° dargestellt. Nach einer Strahldauer von 20 Sekunden ergibt sich ein signifikantes Ablösen der äußersten Beschichtungslage aus Diamant. [0039] Im Unterschied dazu ist gemäß Fig. 4 bei einer Strahldauer von mehr als 120 Sekunden (bei ansonsten gleichen Bedingungen) für eine Schneidplatte mit einem Beschichtungsaufbau gemäß Fig. 1 bzw. 2 eine deutliche verbesserte Haftung ersichtlich. [0040] Ein erfindungsgemäß vorgesehener Schichtaufbau einzelner Beschichtungslagen ergibt somit eine effektive Unterbindung der Cobaltdiffusion und damit einhergehend eine Bildung von im Wesentlichen reinen Diamantschichten, die zudem eine exzellente Haftung aufweisen. Patentansprüche 1. Hartmetallkörper (1), aufweisend einen Grundkörper (2) mit Hartstoffen wie Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden eines oder mehrerer Metalle und zumindest ein Bindemetall sowie mit einer Beschichtungslage (6), die zumindest überwiegend aus Diamant besteht, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Beschichtungslage (4) aus einem Titancarbonitrid vorgesehen ist, auf welcher eine zweite Beschichtungslage (5) aus Titancarbid oder Titancarbonitrid mit einem geringeren Stickstoffgehalt als in der ersten Beschichtungslage (4) abgeschieden ist, auf welcher die zumindest überwiegend aus Diamant bestehende Beschichtungslage (6) abgeschieden ist.
2. 2. Hartmetallkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtungslage (4) im Querschnitt an einer zur zweiten Beschichtungslage (5) angrenzenden Oberfläche mit Fingern bzw. Nadeln ausgebildet ist, welche in die zweite Beschichtungslage (5) reichen. 6/10 österreichisches Patentamt AT 510 421 B1 2012-04-15
3. 3. Hartmetallkörper (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschichtungslage (5) maximal gleich dick wie die erste Beschichtungslage (4), vorzugsweise dünner als diese, ausgebildet ist.
4. 4. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemetall Cobalt und/oder Nickel und/oder Eisen umfasst.
5. 5. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemetall überwiegend oder ausschließlich aus Cobalt besteht.
6. 6. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des oder der Bindemetalle zumindest 2 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, beträgt.
7. 7. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grundkörper (2) und der ersten Beschichtungslage (4) eine Anbindungsschicht (3) aus Titannitrid vorliegt, die bevorzugt eine Dicke von weniger als 1,0 pm aufweist.
8. 8. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtungslage (4) eine Dicke von 0,5 bis 5,0 pm, vorzugsweise 1,0 bis 2,5 pm, aufweist.
9. 9. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtungslage (4) eine Zusammensetzung von TiCi.xNx mit x im Bereich von 0,45 bis 0,90, vorzugsweise 0,55 bis 0,85, insbesondere 0,60 bis 0,80, aufweist.
10. 10. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtungslage (4) Kristallite mit einer Kern-Mantel-Struktur aufweist, wobei ein Kohlenstoffgehalt an einer Außenseite der Kristallite höher ist als im Inneren der Kristallite.
11. 11. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtungslage (4) Kristallite mit sternförmiger Morphologie aufweist.
12. 12. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtungslage (4) aus einem nur Methan und Stickstoff als Kohlenstoff- und Stickstoffquellen enthaltenden Gas bei einer Temperatur von mehr als 800°C abgeschieden ist.
13. 13. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschichtungslage (5) eine Zusammensetzung von TiCi.xNx mit x < 0,10, vorzugsweise < 0,05, insbesondere < 0,03, aufweist.
14. 14. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beschichtungslage (5) eine Dicke von weniger als 2,5 pm, vorzugsweise weniger als 2,0 pm, insbesondere weniger als 1,5 pm, aufweist.
15. 15. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest überwiegend aus Diamant bestehende Beschichtungslage (6) eine Dicke von mehr als 3,0 pm, vorzugsweise mehr als 5,0 pm, aufweist.
16. 16. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest überwiegend aus Diamant bestehende Beschichtungslage (6) eine äußerste Beschichtungslage (4) ist.
17. 17. Hartmetallkörper (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmetallkörper (1) ein Schneideinsatz wie eine Schneidplatte, insbesondere Wendeschneidplatte, ist.
18. 18. Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Hartmetallkörpers (1), aufweisend einen Grundkörper (2) mit Hartstoffen wie Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden eines oder mehrerer Metalle und zumindest ein Bindemetall sowie mit einer Beschichtungslage (6), 7/10 österreichisches Patentamt AT 510 421 B1 2012-04-15 die zumindest überwiegend aus Diamant besteht, dadurch gekennzeichnet, dass optional auf dem Grundkörper (2) eine Anbindungsschicht (3) aus Titannitrid abgeschieden wird, wonach eine erste Beschichtungslage (4) aus Titancarbonitrid abgeschieden wird, auf welcher eine zweite Beschichtungslage (5) aus Titancarbid oder Titancarbonitrid mit einem geringeren Stickstoffgehalt als in der ersten Beschichtungslage (4) abgeschieden wird, wonach auf der zweiten Beschichtungslage (5) die zumindest überwiegend aus Diamant bestehende Beschichtungslage (6) abgeschieden wird.
19. 19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beschichtungslage (4) aus einer im Wesentlichen aus Methan, Stickstoff und Titantetrachlorid und einem Trägergas wie Wasserstoff bestehenden Gasphase abgeschieden wird.
20. 20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der ersten Beschichtungslage (4) bei einer Temperatur von zumindest 800°C, vorzugsweise zumindest 850°C, begonnen wird, wonach die Temperatur während des Abscheidens der ersten Beschichtungslage (4) vorzugsweise kontinuierlich um bis zu 100°C, zumindest jedoch 35°C erhöht wird.
21. 21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abscheiden der ersten Beschichtungslage (4) die zweite Beschichtungslage (5) abgeschieden wird, indem bei ansonsten unveränderter Gaszusammensetzung ein Stickstoffzufluss reduziert oder unterbunden wird. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 8/10